Влияние солнечной радиации на географическую оболочку Земли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Понятие о солнечной радиации

1.1 Виды солнечной радиации

1.2 Методы измерения радиации

2. Интенсивность солнечной радиации, и ее распределение

3. Изменение солнечной радиации

3.1 Поглощение солнечной радиации в атмосфере

3.2 Рассеяние солнечной радиации в атмосфере

3.3 Явления, связанные с рассеянием радиации

4. Солнечная радиация у земной поверхности

4.1 Влияние солнечной радиации на растительный и животный мир

4.2 Использование солнечной радиации человеком

5. Сезонные изменения солнечной радиации

Заключение

Список использованных источников

Введение

О Солнце и его энергии написаны сотни книг. О нём пишут физики и химики, астрономы и астрофизики, географы и геологи, биологи и инженеры. И в этом нет ничего удивительного, ведь Солнце является основным источником энергии на нашей планете, приводящим в движение весь механизм метеорологических и климатообразующих процессов.

Энергия Солнца, которая в основном выделяется в виде лучистой энергии, так велика, что её трудно даже себе представить. Достаточно сказать, что на Землю поступает только одна двухмиллиардная доля этой энергии, но она составляет около 2,5Ч1018 кал/мин. По сравнению с этим все остальные источники энергии, как внешние (излучение луны, звёзд, космические лучи), так и внутренние (внутренние тепло Земли, радиоактивное излучение, запасы каменного угля, нефти и т.д.) пренебрежительно малы.

Солнце - самая близкая к нам звезда, представляющая собой огромный светящийся газовый шар, диаметр которого примерно в 109 раз больше диаметра Земли, а его объём больше объёма Земли примерно в 1 млн 300 тыс. раз. Средняя плотность Солнца составляет около 0,25 от плотности нашей планеты [1].

Температура на поверхности Солнца около 6000 ^оК. При такой высокой температуре железо и другие металлы не просто плавятся, а превращаются в раскаленные газы. Поэтому на Солнце нет ни твердых, ни жидких веществ: там только раскаленный газ. Солнце - это огромный раскаленный газовый шар, поэтому говорить о его размерах следует условно, понимая под ними размеры видимого с Земли солнечного диска.

Внутренняя часть солнца не доступна наблюдению. Она представляет собой своеобразный атомный котёл гигантских размеров, где температура достигает 15 миллиардов градусов. Такая высокая температура внутри Солнца существует уже несколько миллиардов лет и будет существовать еще примерно столько же. Что же происходит внутри Солнца? Почему не гаснет этот гигантский костер? Астрономы, физики долго размышляли над вопросом: каким же образом миллиарды лет поддерживается очень высокая температура внутри Солнца? Большинство ученых считает, что внутри Солнца химический элемент водород превращается в другой химический элемент гелий. Частички водорода объединяются в более тяжелые частички, при этом объединении выделяется энергия в виде света и тепла, которая рассеивается Солнцем в космическом пространстве и приходит на Землю, чтобы дать жизнь всему живому [2].

Цель: изучить влияние солнечной радиации на географическую оболочку Земли.

Задачи:

a) выяснить, что такое солнечное радиация;

б) описать виды радиации;

в) изучить, как солнечная радиация влияет на растительный и животный мир;

г) привести примеры использования солнечной энергии;

д) проанализировать сезонное изменение солнечной радиации на земной поверхности.

1. Понятие о солнечной радиации

Энергия, излучаемая Солнцем, носит название солнечной радиации. Поступая на Землю, солнечная радиация в большей своей части превращается в тепло.

Солнечная радиация является практически единственным источником энергии для Земли и атмосферы. По сравнению с солнечной энергией значение других источников энергии для Земли ничтожно мало. Например, температура Земли в среднем с глубиной возрастает (примерно 1 ^оС на каждые 35 м). Благодаря этому поверхность Земли получает некоторое количество тепла из внутренних частей. Подсчитано, что в среднем 1см² земной поверхности получает из внутренних частей Земли около 220 Дж в год. Это количество в 5000 раз меньше тепла, получаемого от Солнца. Некоторое количество тепла Земля получает от звезд и планет, но и она во много раз (приблизительно в 30 млн.) меньше тепла, поступающего от Солнца.

Количество энергии, посылаемой Солнцем на Землю, огромно. Так, мощность потока солнечной радиации, поступающей на площадь в 10 км^2, составляет в летний безоблачный (с учетом ослабления атмосферы) 7-9 кВт. Это больше, чем мощность Красноярской ГЭС. Количество лучистой энергии, поступающей от Солнца за 1 секунду на площадь 15Ч15 км (это меньше площади Ленинграда) в околополуденные часы летом, превышает мощность всех электростанций распавшегося СССР (166 млн кВт) [3].



Рисунок 1 - Солнце - источник радиации [4]

1.1 Виды солнечной радиации

В атмосфере солнечная радиация на пути к поверхности земли частично поглощается, а частично рассеивается и отражается от облаков и земной поверхности. В атмосфере наблюдается три вида солнечной радиации: прямая, рассеянная и суммарная.

Прямая солнечная радиация - радиация, приходящая к земной поверхности непосредственно от диска Солнца. Солнечная радиация распространяется от Солнца по всем направлениям. Но расстояние от Земли до Солнца так велико, что прямая радиация падает на любую поверхность на Земле в виде пучка параллельных лучей, исходящего как бы из бесконечности. Даже весь земной шар в целом так мал в сравнении с расстоянием до Солнца, что всю солнечную радиацию, падающую на него, без заметной погрешности можно считать пучком параллельных лучей.

На верхнюю границу атмосферы приходит только прямая радиация. Около 30 % падающей на Землю радиации отражается в космическое пространство. Кислород, азот, озон, диоксид углерода, водяные пары (облака) и аэрозольные частицы поглощают 23 % прямой солнечной радиации в атмосфере. Озон поглощает ультрафиолетовую и видимую радиацию. Несмотря на то, что его содержание в воздухе очень мало, он поглощает всю ультрафиолетовую часть радиации (это примерно 3 %). Таким образом, у земной поверхности ее вообще не наблюдается, что очень важно для жизни на Земле.

Прямая солнечная радиация на пути сквозь атмосферу также рассеивается. Частица (капля, кристалл или молекула) воздуха, находящаяся на пути электромагнитной волны, непрерывно «извлекает» энергию из падающей волны и переизлучает ее по всем направлениям, становясь излучателем энергии.

Около 25 % энергии общего потока солнечной радиации проходя через атмосферу, рассеивается молекулами атмосферных газов и аэрозолем и превращается в атмосфере в рассеянную солнечную радиацию. Таким образом рассеянная солнечная радиация - солнечная радиация, претерпевшая рассеяние в атмосфере. Рассеянная радиация приходит к земной поверхности не от солнечного диска, а от всего небесного свода. Рассеянная радиация отлична от прямой по спектральному составу, так как лучи различных длин волн рассеиваются в разной степени.

Так как первоисточником рассеянной радиации является прямая солнечная радиация, поток рассеянной зависит от тех же факторов, которые влияют на поток прямой радиации. В частности, поток рассеянной радиации возрастает по мере увеличение высоты Солнца и наоборот. Он возрастает также с увеличением в атмосфере количества рассеивающих частиц, т.е. со снижением прозрачности атмосферы, и уменьшается с высотой над уровнем моря в связи с уменьшение количества рассеивающих частиц в вышележащих слоях атмосферы. Очень большое влияние на рассеянную радиацию оказывают облачность и снежный покров, которые за счет рассеяния и отражения падающей на них прямой и рассеянной радиации и повторного рассеяния их в атмосфере могут в несколько раз увеличить рассеянную солнечную радиацию.

Рассеянная радиация существенно дополняет прямую солнечную радиацию и значительно увеличивает поступление солнечной энергии на земную поверхность. Особенно велика ее роль в зимнее время в высоких широтах и в других районах с повышенной облачностью, где доля рассеянной радиации может превышать долю прямой. Например, в годовой сумме солнечной энергии на долю рассеянной радиации приходится в Архангельске - 56 %, в Санкт-Петербурге - 51 %.

Суммарная солнечная радиация - это сумма потоков прямой и рассеянной радиаций, поступающих на горизонтальную поверхность. До восхода и после захода Солнца, а также днем при сплошной облачности суммарная радиация полностью, а при малых высотах Солнца преимущественно состоит из рассеянной радиации. При безоблачном или малооблачном небе с увеличением высоты Солнца доля прямой радиации в составе суммарной быстро возрастает и в дневные часы поток ее многократно превышает поток рассеянной радиации. Облачность в среднем ослабляет суммарную радиацию (на 20-30 %), однако при частичной облачности, не закрывающей солнечного диска, поток ее может быть больше, чем при безоблачном небе. Существенно увеличивает поток суммарной радиации снежный покров за счет увеличения потока рассеянной радиации.

Суммарная радиация, падая на земную поверхность, большей частью поглощается верхним слоем почвы или более толстым слоем воды (поглощенная радиация) и переходит в тепло, а частично отражается (отраженная радиация) [5].

1.2 Методы измерения радиации

солнечный радиация атмосфера животный

Для измерения прямой и рассеянной солнечной радиации, радиационного баланса и других видов радиации существует много приборов как с визуальными отчетами, так и с автоматической регистрацией. Ограничимся рассмотрением общих принципов их построения.

Приборы для измерения прямой солнечной радиации называют пиргелиометрами и актинометрами, для измерения рассеянной радиации - пиранометрами, для измерения радиационного баланса - балансомерами.

Для измерения радиации применяется зачерненная металлическая пластинка, которая по своим поглощающим свойствам практически идентична абсолютному черному телу, т.е. поглощает и превращает в тепло всю падающую на нее радиацию. Во многие приборы входят, кроме того, пластинки с белой поверхностью, почти полностью отражающие падающую радиацию.

В компенсационном пиргелиометре Ангстрема зачерненная металлическая пластинка выставляется на Солнце, а другая такая же пластинка остается в тени. Между пластинками возникает разность температур. Эта разность температур передается спаям термоэлемента, приклеенным (с изоляцией) к пластинкам, и тем самым возбуждает термоэлектрический ток. Через затемненную пластинку пропускается ток от батареи, пока пластинка не нагреется до той же температуры, до которой нагрелась солнечными лучами первая пластинка; тогда термоэлектрический ток исчезает. По силе пропущенного «компенсирующего» тока можно определить с помощью Джоуля-Ленца количество тепла, полученному от Солнца первой пластинкой. Отсюда можно определить величину солнечной радиации. Есть и другие типы пиргелиометров.

В термоэлектрическом актинометре Савинова-Янишевского приемная часть представляет собой тонкий металлический зачерненный диск. К нему через изоляцию приклеены нечетные спаи термобатареи. Четные спаи термобатареи приклеены также через изоляцию к медному кольцу в корпусе прибора. Под влиянием солнечной радиации возникает электрический ток, по силе которого определяют интенсивность радиации. Для этого нужен переводной множитель прибора, который определяется путем сравнения с абсолютным прибором-пиргелиометром.

В пиранометре приемная часть чаще всего представляет собой батарею термоэлементов, например, из манганина и константана с зачерненными и белыми спаями. Приемная часть прибора должна иметь горизонтальное положение, чтобы воспринимать рассеянную радиацию со всего небесного свода. От прямой солнечной радиации он затенен экраном, а от встречного излучение атмосферы защищен стеклянным колпаком. Под действием рассеянной радиации черные и белые спаи нагреваются неодинаково, и возникает термоэлектрический ток, по силе которого определяют значение радиации (заранее устанавливается переводной множитель прибора). При измерениях суммарной радиации пиранометр не затеняют от прямых солнечных лучей.

Радиационный баланс определяется термоэлектрическим балансомером, в котором одна зачерненная приемная пластинка направлена вверх, а другая - вниз, к земной поверхности. Разница в нагревании пластинок позволяет определить величину радиационного баланса. Ночью она равна величине эффективного излучения.

Для автоматической регистрации измерений термоэлектрический ток, возникающий в актинометре, пиранометре, балансомере, подают на самопишущий электронный потенциометр. Изменения силы тока записываются на движущейся бумажной ленте. При этом актинометр должен автоматически вращаться так, чтобы его приемная часть следовала за Солнцем, а пиранометр должен быть всегда затенен от прямой радиации особой кольцевой защитой [6].



1 2

3

1 - пиргелиометр; 2 - актинометр; 3 - пиранометр

Рисунок 2 - Приборы для измерения солнечной радиации [7,8,9]

Таким образом, используя методы измерения солнечной радиации, мы можем определить множество показателей, т.к. интенсивность солнечной радиации, отраженную радиацию, величину эффективного излучения, составляющие теплового баланса и т.д.

2. Интенсивность солнечной радиации, и ее распределение

Интенсивность солнечной радиации перед вступлением ее в атмосферу (обычно говорят: «на верхней границе атмосферы» или «в отсутствие атмосферы») называют солнечной постоянной. Смысл слова постоянная состоит здесь в том, что эта величина не зависит от поглощения и рассеяния радиации в атмосфере. Она относится к радиации, на которую атмосфера еще не повлияла. Солнечная постоянная зависит, таким образом, только от излучательной способности Солнца и от расстояния между Землей и Солнцем.

Земля вращается вокруг Солнца по мало растянутому элипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. В начале января она наиболее близка к Солнцу (147 млн км), в начале июля наиболее далека от него (152 млн км). Так как интенсивность радиации меняется обратно пропорциональна квадрату расстояния, то солнечная постоянная в течении года меняется на ±3,5 %. При среднем расстоянии Земли от Солнца солнечная постоянная, по новейшим определениям, с использованием ракетных измерений, равна 2,00 ±0,04 кал/см² мин. Однако за стандартное ее значение по международному соглашению принята величина 1,98 кал/см² мин. Интенсивность солнечной радиации в 2 кал на 1 см² в 1 минуту дает такое большое количество тепла в течение года, что его хватило бы, чтобы расплавить слой льда в 35 метров толщиной, если бы такой слой покрывал всю земную поверхность.

Меняется ли, и на сколько существенно, солнечная постоянная в течение времени, независимо от изменения расстояния между Солнцем и Землей? Иначе говоря, меняется ли с течением времени излучение Солнца? Несомненно, что за время существования Солнца солнечная постоянная должна была меняться. Более спорным вопросом является вопрос, менялась ли она существенно на протяжении геологической истории Земли. Наконец, еще не известно, колеблется ли солнечная постоянная, и на сколько, изо дня в день и из года в год. Однако если такие колебания и существуют, то они настолько малы, что лежат в пределах точности определений солнечной постоянной [10].

3. Изменение солнечной радиации

Проходя сквозь атмосферу, солнечная радиация частично рассеивается атмосферными газами и аэрозольными примесями к воздуху и переходит в особую форму рассеянной радиации. Частично же она поглощается молекулами атмосферных газов и примесями к воздуху и переходит в теплоту, идет на нагревание атмосферы.

Нерассеянная и непоглощенная в атмосфере прямая солнечная радиация достигает земной поверхности. Она частично отражается от земной поверхности, а в большей степени поглощается ею и нагревает ее. Часть рассеянной радиации также достигает земной поверхности, частично от нее отражается и частично ею поглощается. Другая часть рассеянной радиации уходит вверх, в межпланетное пространство.

В результате поглощения и рассеяния радиации в атмосфере прямая радиация, дошедшая до земной поверхности, изменена в сравнении с тем, что было на границе атмосферы. Интенсивность радиации уменьшается, а спектральный состав ее изменяется, так как лучи разных длин волн поглощаются и рассеиваются в атмосфере по-разному.

В результате поглощения и рассеяния радиации в атмосфере прямая радиация, дошедшая до земной поверхности, изменена в сравнении с тем, что было на границе атмосферы. Интенсивность радиации уменьшается, а спектральный состав ее изменяется, так как лучи разных длин волн поглощаются и рассеиваются в атмосфере по-разному [11].

3.1 Поглощение солнечной радиации в атмосфере

В атмосфере поглощается около 23 % прямой солнечной радиации. Причем поглощение это избирательное: разные газы поглощают радиацию в разных участках спектра и в разной степени. Основным поглотителем радиации в коротковолновой области спектра является азот и озон, в длинноволновой - водяной пар и углекислый газ.

Азот поглощает радиацию только очень малых длин волн в ультрафиолетовой части спектра. Энергия солнечной радиации в этом участке спектра совершенно ничтожна, поэтому поглощение азотом практически не отражается на потоке солнечной радиации. В несколько большей степени, но все же очень мало поглощает солнечную радиацию кислород в двух узких участках видимой части спектра и в ультрафиолетовой его части.

Более сильным поглотителем солнечной радиации является озон. Несмотря на очень малое содержание его в атмосфере, он полностью поглощает солнечную радиацию с длиной волны менее 0,29 мкм, вследствие чего в спектре солнечной радиации у земной поверхности такие волны не наблюдаются. Ультрафиолетовые волны, в особенности наиболее короткие, биологически очень активны и в избыточных количествах оказывают вредное или даже губительное влияние на живые организмы. Слой атмосферного озона является своеобразным защитным экраном, «биологическим щитом», предохраняющим жизнь на Земле. Поглощением части ультрафиолетовой радиации Солнца стратосферным озоном объясняется характерное для стратосферы распределение температуры с высотой и сравнительно высокие температуры воздуха в этом слое.

Кроме ультрафиолетовой радиации, озон поглощает, хотя и значительно слабее, радиацию некоторых длин волн в видимой и инфракрасной областях спектра. Общее поглощение солнечной радиации озоном достигает 3 % прямой солнечной радиации.

В длинноволновой области спектра наибольшую долю радиации поглощает водяной пар. Сильным поглотителем инфракрасной радиации является также и углекислый газ, однако в связи с малым содержанием его в атмосфере общее количество поглощенной им радиации невелико.

Значительное количество как коротковолновой, так и длинноволновой радиации поглощают облака и различные атмосферные аэрозоли, особенно при сильном замутнении атмосферы (в городах, при сильных лесных и торфяных пожарах и т.д.)

В целом на поглощение водяным паром и на аэрозольное поглощение приходится около 15 %, остальные 5 % поглощаются облаками.

В каждом отдельном месте поглощение изменяется с течение времени в зависимости как от переменного содержания в воздухе поглощающих субстанций, главным образом водяного пара, облаков и пыли, так и от высоты Солнца над горизонтом, т.е. от толщины слоя воздуха, проходимого лучами на пути к Земле [12].

3.2 Рассеяние солнечной радиации в атмосфере

Прямая солнечная радиация на пути сквозь атмосферу ослабляется не только поглощением, но и путем рассеяния, причем ослабляется более значительно. Рассеяние - это фундаментальное физическое явление взаимодействия света с веществом. Оно может происходить на всех длинах волн электромагнитного спектра в зависимости от отношения размера рассеивающих частиц к длине волны падающего излучения. При рассеянии частица, находящаяся на пути распределения электромагнитной волны, непрерывно «извлекает» энергию из падающей волны и переизлучает ее по всем направлениям. Таким образом, частицу можно рассматривать как точечный источник рассеянной энергии. Следовательно, рассеянием называется преобразование частицы прямой солнечной радиации, которая до рассеяния распространяется в виде параллельных лучей в определенном направлении, в радиацию, идущую по всем направлениям. Рассеяние происходит в оптически неоднородном атмосферном воздухе, содержащем мельчайшие частицы жидких и твердых примесей - капли, кристаллы, мельчайшие аэрозоли, т.е. в среде, где показатель преломления изменяется от точки к точке. Но оптически неоднородной средой является и чистый, свободный от примесей воздух, так как в нем вследствие теплового движения молекул постоянно возникают сгущения и разрежения, колебания плотности. Встречаясь с молекулами и примесями в атмосфере, солнечные лучи теряют прямолинейное направление распространения, рассеивается. Радиация распространяется от рассеивающих частиц, таким образом, как если бы они сами были излучателями.

Таким образом, около 26 % энергии общего потока солнечной радиации превращается в атмосфере в рассеянную радиацию. Около 2/3 рассеянной радиации приходит затем к земной поверхности [6].

3.3 Явления, связанные с рассеянием радиации

Одним из примитивных примеров, связанных с рассеянием радиации, который мы можем наблюдать почти каждый день - это голубой цвет неба. Голубой цвет неба - это цвет самого воздуха, обусловленный рассеянием в нем солнечных лучей. Воздух прозрачен в тонком слое, как прозрачна в тонком слое вода. Но в мощной толще атмосферы воздух имеет голубой цвет подобно тому, как вода уже в сравнительно малой толще

(несколько метров) имеет зеленый цвет. Так как молекулярное рассеяние света происходит обратно пропорционально, то в спектре рассеянного света, посылаемого небесным сводом, максимум энергии смещен на голубой цвет. Таким образом, небесный свод имеет голубой цвет. Голубой цвет воздуха можно видеть не только глядя на небесный свод, но и рассматривая отдельные предметы, которые кажутся окутанными голубоватой дымкой. С высотой, по мере уменьшения плотности воздуха, т.е. количества рассеивающих частиц, цвет неба становится темнее и переходит в густо-синий, а в атмосфере - в черно-фиолетовый. По свидетельству космонавтов, на высоте 300 км цвет неба черный. Увеличение доли рассеянных фиолетовых лучей с высотой хорошо видно в горах, которые в чистом воздухе кажутся сине-фиолетовыми.

Чем больше в воздухе примесей более крупных размеров, чем молекулы воздуха, тем больше доля длинноволных лучей в спектре солнечной радиации и тем белесоватее становится окраска небесного свода. Когда диаметр частиц тумана, облаков и аэрозолей становится более 1-2 мкм, то лучи всех длин волн уже не рассеиваются, а одинаково диффузно отражаются; поэтому отдельные предметы при тумане и пыльной мгле заволакиваются уже не голубой, а белой или серой завесой. Поэтому же облака, на которые падает солнечный (т.е. белый) свет, кажутся белыми.

Рисунок 3 - Голубой цвет неба [13]

Солнечный свет, идущий от диска Солнца, проходя через атмосферу, вследствие рассеяния меняет свой цвет. Благодаря рассеянию больше всего понижается энергия наиболее коротких длин волн видимой части спектра - синих и фиолетовых, поэтому «уцелевший» от рассеяния прямой солнечный свет становится желтоватым. Солнечный диск кажется тем желтее, чем он ближе к горизонту, т.е. чем длиннее путь лучей через атмосферу и, следовательно, чем больше рассеяние. У горизонта Солнце становится почти красным, особенно когда в воздухе много пыли и мельчайших продуктов конденсации (капель или кристаллов). Точно так же и солнечный свет, отраженный облаками, рассеиваясь по пути к земной поверхности, становится беднее синими лучами. Поэтому, когда облака близки к горизонту и путь отраженных от них лучей света, проходящий сквозь атмосферу к наблюдателю, велик, они приобретают вместо белой желтоватую окраску.

Рисунок 4 - Желтоватая окраска облаков [14]

Рассеяние солнечной радиации в атмосфере имеет огромное практическое значение, так как создает рассеянный свет в дневное время. В отсутствие атмосферы на Земле было бы светло только там, куда попадали бы прямые солнечные лучи или солнечные лучи, отраженные земной поверхностью и предметами на ней. Вследствие же рассеянного света вся атмосфера днем служит источником освещения: днем светло также и там, куда солнечные лучи непосредственно не падают, и даже тогда, когда Солнце скрыто облаками [6].



Рисунок 5 - Рассеянный свет в дневное время [15]

4. Солнечная радиация у земной поверхности

Как нам уже известно, прямая солнечная радиация, при прохождении атмосферы, до земной поверхности доходит ослабленной атмосферным поглощением и рассеянием. Кроме того, в атмосфере всегда есть облака, и прямая солнечная радиация часто вообще не достигает земной поверхности, поглощаясь, рассеиваясь и отражаясь обратно облаками. Облачность может уменьшать приток прямой радиации в широких пределах. Например, в Ташкенте в малооблачном августе теряется вследствие наличия облаков всего 20 % прямой солнечной радиации, а во Владивостоке с его муссонным климатом потеря прямой радиации вследствие облачности летом составляет 75 %. В Санкт-Петербурге даже в среднем за год облака не пропускают к земной поверхности 65 % прямой радиации.

Таблица 1 - Средний приток солнечной радиации в Северном полушарии на горизонтальную поверхность в дни равноденствий и солнцестояний [6]

День	Широта, град.
	0-10	10-20	20-30	30-40	40-50	50-60	60-90
На верхней границе атмосферы
21/XII 21/III 21/VI 23/IX	0,383 0,432 0,404 0,425	0,324 0,420 0,440 0,392	0,260 0,386 0,463 0,388	0,191 0,355 0,477 0,351	0,121 0,308 0,481 0,304	0,055 0,250 0,477 0,246	0,004 0,147 0,491 0,145
Прямая радиация у земной поверхности
21/XII 21/III 21/VI 23/IX	0,114 0,133 0,101 0,119	0,112 0,156 0,118 0,113	0,094 0,144 0,151 0,140	0,057 0,112 0,163 0,128	0,025 0,081 0,128 0,091	0,009 0,068 0,111 0,055	0,001 0,038 0,093 0,019
Рассеянная радиация у земной поверхности
21/XII 21/III 21/VI 23/IX	0,045 0,075 0,073 0,075	0,055 0,073 0,079 0,072	0,046 0,069 0,0865 0,068	0,036 0,065 0,087 0,064	0,024 0,058 0,088 0,056	0,011 0,046 0,035 0,045	0,001 0,033 0,107 0,034

Из данной таблицы можно сделать вывод, что действительные количества прямой солнечной радиации, достигающие земной поверхности в течение того или иного времени, будут значительно меньше, чем количества, рассчитанные для границы атмосферы. Распределение же их по Земному шару будет более сложным, так как степень прозрачности атмосферы и условия облачности весьма изменчивы в зависимости от географической обстановки.

Однако при достижении земной поверхности большая часть потока суммарной радиации, поступающего на земную поверхность, поглощается верхним слоем почвы, воды и растительностью; при этом лучистая энергия превращается в тепло, нагревая поглощающие слои. Остальная часть потока суммарной радиации отражается земной поверхностью, образуя отраженную радиацию. Почти весь поток отраженной радиации проходит атмосферу насквозь и уходит в мировое пространство, однако некоторая доля его в атмосфере рассеивается и частично возвращается на земную поверхность, усиливая рассеянную радиацию, следовательно, и суммарную [16].

Отражательная способность различных поверхностей называется альбедо. Оно представляет собой отношение потока отраженной радиации ко всему потоку суммарной радиации, падающему на данную поверхность. Таким образом, земной поверхностью отражается часть потока суммарной радиации, а часть поглощается и превращается в тепло.

Альбедо различных поверхностей суши зависит главным образом от цвета и шероховатости этих поверхностей. Темные и шероховатые поверхности имеют меньшее альбедо, чем светлые и гладкие. Альбедо почв уменьшается с возрастание влажности, так как цвет их при этом становится темным.

Таблица 1 - Значение альбедо для некоторых естественных поверхностей [16]

Поверхность	Альбедо, в процентах	Поверхность	Альбедо, в процентах
Свежий сухой снег	80-95	Луга	15-25
Загрязненный снег	40-50	Поля ржи и пшеницы	10-25
Темные почвы	5-15	Хвойные леса	10-15
Сухие песчаные почвы	25-45	Лиственные леса	15-20

Альбедо водных поверхностей в среднем меньше, чем альбедо поверхности суши, и оно очень сильно зависит от высоты Солнца. Наименьшее альбедо наблюдается при отвесном падении солнечных лучей (2-5 %), наименьшая - при малых высотах Солнца (50-70 %). Подобным же образом, но значительно слабее, изменяется в зависимости от высоты Солнца и физического состояния альбедо других естественных поверхностей, в связи с чем в суточном ходе наибольшие значения его наблюдаются утром и вечем, наибольшие - в полуденные часы.

Очень велика отражательная способность верхней поверхности облаков, особенно при большой их мощности. В среднем альбедо облаков около 50-60 %, в отдельных случаях - более 80-85 %.

В умеренных и высоких широтах альбедо сильно изменяется в годовом ходе, так как из-за образования снежного покрова зимой она значительно больше (50-80 %), чем летом.

Отношение уходящей в космическое пространство отраженной и рассеянной радиации ко всему потоку солнечной радиации, поступающей в атмосферу, называют планетарным альбедо Земли. В среднем оно составляет около 30 %, причем большая часть его обусловлена отражением солнечной радиации облаками [17].

4.1 Влияние солнечной радиации на растительный и животный мир

Солнце оказывает значительное влияние не только на растительный и животный мир, но и на человека. Некоторые люди просыпаются и бодрствуют только тогда, когда светит Солнце (это касается и большинства млекопитающих, земноводных и даже большинства рыб). Продолжительность солнечного дня оказывает влияние на жизнедеятельность организмов на Земле. В частности, зимой и осенью, когда Солнце в Северном полушарии стоит низко над горизонтом, и продолжительность светового дня мала и мало поступление солнечного тепла, природа увядает и засыпает - деревья сбрасывают листья, многие животные впадают на длительный срок в спячку (медведи, барсуки) или же сильно снижают свою активность. Вблизи полюсов даже во время лета поступает мало солнечного тепла, из-за этого растительность там скудная -причина унылого тундрового пейзажа, и мало какие животные могут проживать в таких условиях. Весной же вся природа просыпается, трава распускается, деревья выпускают листья, появляются цветы, оживает животный мир. И всё это благодаря одному единственному Солнцу. Его климатическое влияние на Землю бесспорно. Именно благодаря неравномерному поступлению солнечной энергии в разные районы Земли и в разные времена года на Земле сформировались климатические пояса [18].

Так же без Солнца не мог бы протекать такой химический процесс, как фотосинтез. В зелёных листьях растений содержится зелёный пигмент хлорофилл - этот пигмент является важнейшим катализатором на Земле. С его помощью происходит реакция диоксида углерода и воды-фотосинтез, и одним из продуктов этой реакции является кислород - элемент, который необходим для жизни почти всему живому на Земле и глобально повлиял на эволюцию нашей планеты - в частности, радикально изменился состав минералов. Реакция воды и углекислого газа происходит с поглощением энергии, поэтому в темноте фотосинтез не происходит. Фотосинтез, преобразуя солнечную энергию и производя при этом кислород, дал начало всему живому на Земле. При этой реакции образуется глюкоза, которая является важнейшим сырьём для синтеза целлюлозы, из которой состоят все растения. Поедая растения, в которых за счёт солнца накоплена энергия, существуют и животные. Растения Земли поглощают и усваивают всего около 0,3 % энергии излучения Солнца, падающей на земную поверхность. Но и этого, на первый взгляд, мизерного количества энергии достаточно, чтобы обеспечить синтез огромного количества массы органического вещества биосферы.

Таким образом, Солнце является главным источником жизни на Земле [19].

4.2 Использование солнечной радиации человеком

Вопрос о возможности непосредственного использования солнечной энергии, интересовавший людей еще в древности, в последние годы становится все более актуальным. Проблемами технического использования солнечной радиации занимается гелиотехника, которой сейчас во всем мире уделяется большое внимание. Энергию Солнца можно использовать для технических и бытовых целей: отопления и освещения, опреснения воды, сушки фруктов и овощей и др. Чтобы достигнуть рентабельности солнечных установок, надо размещать их там, где приход солнечной энергии значителен и, главное, где имеется достаточное количество солнечных (безоблачных) дней в году.

Использование солнечной энергии в современной практике осуществляется путем преобразования ее в тепловую и электрическую энергию.

Быстрое уменьшение запасов горючих ископаемых (уголь, нефть, газ) и загрязнение окружающей природной среды при их сжигании заставляет искать более эффективные источники энергии. Прежде всего - это энергия Солнца. Для нас Солнце - ближайший термоядерный реактор-исполин, действующий уже миллиарды лет. Только к пустыне Каракумы поступает за год столько солнечной радиации, сколько содержит 3,5 млрд т нефти. Научившись утилизировать хотя бы 20 % этой радиации, мы могли бы получить с каждого участка площадью 4-5 тысяч км² по 1300 миллиардов кВт/ч.

Солнце - не только неисчерпаемый, но и абсолютно чистый источники энергии: оно не дает никаких вредных выбросов. Нет и так называемых тепловых загрязнений, способных «испортить» микроклимат местности, перегреть биосферу в глобальных масштабах, что может явиться следствием неограниченного использования термоядерной энергии.

В настоящее время выделяют четыре направления в использовании солнечной энергии: политехническое, фотоэлектрическое, биологическое и химическое.

Первое направление - это преобразование солнечной энергии в тепловую.

Второе направление - преобразование солнечной энергии в электрическую при помощи фотоэлементов - получило широкое применение в космонавтике (фотоэлектрические солнечные батареи).

Третье направление - разработка биологических систем.

Четвертое направление - разложение воды солнечным светом на кислород и водород.



Рисунок 8 - Солнечная электростанция использует солнечную радиацию для выработки электроэнергии [20]

Во многих отраслях народного хозяйства большую роль играет радиационный режим. Для научного ведения сельского хозяйства необходимо знать действительные суммы радиации, приходящей на земную поверхность в вегетационный период и во все остальные периоды года. Для этого следует учитывать характер деятельной поверхности, наличие склонов, холмов и пр., так как количество радиации, поглощенной почвой, зависит от угла падения лучей и альбедо поверхности.

Солнечная радиация широко используется в лечебных целях. Поэтому в курортологии для правильного выбора времени и дозы облучения больных необходимо знать суточный и годовой ход прямой и рассеянной радиации, их суммы и максимальные значения. Для получения этих сведений на некоторых курортах оборудованы специальные актинометрические станции.

При проектировании городов следует располагать здания таким образом, чтобы обеспечить наиболее благоприятное их освещение солнечными лучами. Необходимо знать суммы радиации, поступающей на вертикальные стены различной ориентации. При этом следует учитывать, что на них поступает не только прямая и рассеянная радиация, но и радиация, отраженная от прилегающих участков земной поверхности и от других близко расположенных зданий. Максимальные суммы солнечной радиации не всегда приходятся на летние месяцы и на южные стены. В частности, приход прямой радиации на южные стены наблюдаются в течение всего года, но максимум ее приходится на весну. С увеличением широты годовые суммы поступающей радиации уменьшается.

Северные стены облучаются с марта по сентябрь, а максимум приходится на июнь - июль. В эти месяцы с увеличением широты суточные и месячные суммы поступающей радиации увеличиваются. Приход радиации на восточные и западные стены зависит главным образом от суточного и годового хода облачности [16].

5. Сезонные изменения солнечной радиации

Нам уже известно, как меняется в течении года солнечная постоянная и, стало быть, количество радиации, приходящее к Земле. Если определять солнечную постоянную для фактического расстояния Земли от Солнца, то при среднем годовом значении 1,98 кал/см² мин она будет равна 2,05 кал/см² мин в январе и 1,91 кал/см² мин в июле.

Стало быть, северное полушарие за летний день получает на границе атмосферы несколько меньше радиации, чем южное полушарие за свой летний день.

Шарообразность Земли и наклон плоскости экватора к полюсу эклиптики (23,5^о) создает сложное распределение притока радиации по широтам на границе атмосферы и его изменения в течение года.

Рисунок 9 - Приток солнечной радиации на горизонтальную поверхность в зимнее и летнее полугодия и за весь год в зависимости от географической широты [21]

Из рисунка видно, что за год количество приходящей солнечной радиации меняется от 318 ккал на экваторе до 133 ккал на полюсе.

Зимой приток радиации очень быстро убывает от экватора к полюсу, летом - гораздо медленнее. При этом максимум летом наблюдается на тропике, а от тропика к экватору приток радиации несколько убывает.

Малая разница в притоке радиации между тропическими и полярными широтами летом объясняется тем, что высоты Солнца в полярных широтах летом ниже, чем в тропиках, но зато велика продолжительность дня. В день летнего солнцестояния полюс, поэтому получал бы в отсутствии атмосферы больше радиации, чем экватор. Однако у земной поверхности в результате ослабления радиации атмосферой, отражения ее облачностью и пр. летний приток радиации в полярных широтах существенно меньше, чем в более низких широтах.

Расчеты показывают, что на верхней границе атмосферы вне тропиков имеется в годовом ходе один максимум радиации, приходящийся на время летнего солнцестояния, и один минимум, приходящийся на время зимнего солнцестояния. Но между тропиками приток радиации имеет два максимума в год, приходящиеся на те сроки, когда Солнце достигает наибольшей полуденной высоты. На экваторе это будет в равноденствий, в других внутритропических широтах - после весеннего и перед осенним равноденствием, отодвигаясь тем больше от сроков равноденствий, чем больше широта. Амплитуда годового хода на экваторе мала, внутри тропиков невелика; в умеренных и высоких широтах она значительно больше [6].

Заключение

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что Солнце является источником жизни всего земного. Оно играет огромную роль в протекании химических процессов на Земле. Солнце испаряет воду с океанов, морей, с земной поверхности. Оно превращает эту влагу в водяные капли, образуя облака и туманы, а затем заставляет ее снова падать на Землю в виде дождя, снега, росы или инея, создавая, таким образом, гигантский круговорот влаги в атмосфере.

Солнечная энергия является источником общей циркуляции атмосферы и циркуляции воды в океанах. Она как бы создает гигантскую систему водяного и воздушного отопления нашей планеты, перераспределяя тепло по земной поверхности.

Солнечный свет, попадая на растение, вызывает у него процесс фотосинтеза, определяет рост и развитие растений; попадая на почву, он превращается в тепло, нагревает ее, формирует почвенный климат, давая тем самым жизненную силу, находящимся в почве, семенам растений, микроорганизмам и населяющим её живым существам, которые без этого тепла пребывали бы в состоянии анабиоза (спячки).

А разве могли бы обойтись без солнца люди и животные? Конечно, нет. Они, если не прямо, то косвенно зависят от него, поскольку не могут жить без воды и без пищи.

Таким образом, можно сделать вывод, что Солнце - это основной источник энергии на Земле и, первопричина, создавшая большинство других энергетических ресурсов нашей планеты, таких, как запасы каменного угля, нефти, газа, энергии ветра и падающей воды, электрической энергии и т. д.

Список использованных источников

1 Большой информационный архив [Электронный ресурс] // Солнечная радиация, какой она нам представляется. - 2010. - 2 марта. - URL: http://big-archive.ru/geography/sun_on_earth/3.php (дата обращения: 13.02.2015).

2 Гонтарук Т.И. Я познаю мир: энциклопедия. - М.: ООО «Издательство АСТ», 2003. - 445 с.

3 Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы: учебное пособие для студентов вузов. - 2-е изд., испр. и доп. - Л., 1994 - 751 с.

4 Мировая тема - популярное издание [Электронный ресурс] // Солнце - источник радиации. - 2015. - 14 января. - URL: http://goo.gl/1kuDd6 / (дата обращения 2.03.2015).

5 Косарев В.П., Андрющенко, Т.Т. Лесная метеорология с основами климатологии: учебное пособие. - 2-е изд., перераб. - М.: Издательство «Лань», 2007. - 288 с.

6 Хромов С.П., Петросянц, М.А. Метеорология и климатология: учебное пособие. - 8-е изд., - М.: Издательство Московского университета, 2013. -

584 с.

7 Пиргелиометрия [Электронный ресурс] // Пиргелиометр. - 2014. - 27 октября. - URL: http://goo.gl/3PQxW1 (дата обращения 23.03.2015).

8 Актинометрия [Электронный ресурс] // Актинометр. - 2015. - 19 июля. - URL: http://goo.gl/SukTda (дата обращения 23.03.2015).

9 Большая советская энциклопедия [Электронный ресурс] // Пиранометр. - 2015. - 13 апреля. - URL: http://goo.gl/91uM3W (дата обращения 23.03.2015).

10 Хромов С.П. Метеорология и климатология. 4-е изд., перераб. - М.: Издательство Московского университета, 1994. - 584 с.

11 Моргунов В.К. Основы метеорологии, климатологии. Метеорологические приборы и методы наблюдений: учебное пособие. - Новосибирск: Сибирское соглашение, 2005. - 331 с.

12 Кондратьев К.Я., Биненко В.И., Мельникова В.И. Метеорология и гидрология: учебное пособие. - М., 1996. 174 с.

13 Солнечная радиация [Электронный ресурс] / Голубой цвет неба. - Москва, 2015. - URL: http://goo.gl/YRlzoz (дата обращения 15.03.2015).

14 Фоторепортаж [Электронный ресурс] / Желтоватая окраска облаков. - Москва, 2015. - URL: http://goo.gl/X8yJal (дата обращения 15.03.2015).

15 Явления солнечно радиации [Электронный ресурс] / Рассеянный свет в дневное время. - М., 2015. - URL: http://goo.gl/qkVLoa (дата обращения 15.03.2015).

16 Гуральник И.И., Дубинский Г.П., Ларин В.В., Мамиконова С.В. Метеорология. 2-е изд., перераб. - Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 440 с.

17 Будыко М.И. Метеорология и гидрология: учебное пособие. - М., 1998. - 129 с.

18 Биофайл - Научно-информационный журнал [Электронный ресурс] // Влияние Солнца на планету Земля. - 2014. - 4 апреля. - URL: http://biofile.ru/kosmos/4362.html (дата обращения: 3.03.2015).

19 Захаровская Н.Н., Ильинич В.В. Метеорология и климатология: учебное пособия для студентов высш. учеб. заведений. - М.: КолосС, 2005. - 127 с.

20 Информационное агентство региональной политики [Электронный ресурс] / Солнечная электростанция. - М, 2015. - URL: http://goo.gl/OqpsCs (дата обращения 25.03.2015).

21 Учебные материалы [Электронный ресурс] / Приток солнечной радиации. - 2015. - 24 ноября. - URL: http://goo.gl/2iaXkt (дата обращения 27.03.2015).

Размещено на Allbest.ru